表面肌電圖在偏癱患者下肢肌肉動(dòng)力學(xué)分析中的應(yīng)用

呂文，張錦明，呂政，王磊

(哈爾濱醫(yī)科大學(xué)附屬第一醫(yī)院康復(fù)醫(yī)學(xué)科，哈爾濱 150001)

腦卒中又稱腦血管意外，常繼發(fā)于高血壓和腦血管畸形，是嚴(yán)重威脅中老年人健康的疾病，具有高發(fā)病率和高致殘率。腦卒中后遺癥及其并發(fā)癥在經(jīng)濟(jì)和精神方面給患者帶來了無法想象的壓力和負(fù)擔(dān)。研究表明，70%～80%的腦卒中患者因神經(jīng)功能缺損導(dǎo)致下肢運(yùn)動(dòng)功能障礙后遺癥[1]。及時(shí)介入康復(fù)治療可幫助患者更早地下床站立行走，提高生活自理能力。表面肌電圖(surface electromyography，sEMG)檢測技術(shù)在康復(fù)醫(yī)學(xué)領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，主要通過放置于皮膚上的電極采集肌肉在活動(dòng)過程中的電信號，能更好地對神經(jīng)肌肉在各種運(yùn)動(dòng)狀態(tài)活動(dòng)下產(chǎn)生的電信號進(jìn)行細(xì)致的定量、定性分析，進(jìn)而得到一系列量化指標(biāo)，為制訂康復(fù)策略提供保障[2-4]。近年來，sEMG在運(yùn)動(dòng)醫(yī)學(xué)和康復(fù)醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用范圍逐漸拓寬，依據(jù)肌肉疲勞程度、肌纖維募集和肌肉激活時(shí)間等原始肌電信號，sEMG能夠?qū)φＨ巳夯蚰X卒中患者進(jìn)行康復(fù)評定、肌肉功能評定、運(yùn)動(dòng)過程中肌肉收縮情況評定，在臨床過程中sEMG常應(yīng)用于腦卒中后偏癱步態(tài)、吞咽障礙、肌肉疲勞等相關(guān)評定[5]。同時(shí)，sEMG在康復(fù)治療方面又有一定的指導(dǎo)價(jià)值，在腦卒中患者的臨床康復(fù)應(yīng)用中已經(jīng)取得了一定的成效?，F(xiàn)就sEMG在偏癱患者下肢肌肉動(dòng)力學(xué)中的應(yīng)用予以綜述。

1 sEMG的常用指標(biāo)及臨床意義

sEMG是一種應(yīng)用于體表肌肉功能的安全、簡單、無創(chuàng)的檢查手段，常用的分析指標(biāo)分為時(shí)域指標(biāo)和頻域指標(biāo)兩種，時(shí)域指標(biāo)包括積分肌電值(integrated electromyography，iEMG)、均方根、平均肌電值，頻域指標(biāo)包括平均功率頻率(average power frequency，MPF)和中位頻率。iEMG指規(guī)定時(shí)間內(nèi)所檢測的肌肉運(yùn)動(dòng)單位放電總量，反映工作過程中肌肉單位數(shù)量和每次肌肉運(yùn)動(dòng)單位放電量，體現(xiàn)單位時(shí)間內(nèi)肌肉的收縮特性；均方根指一定時(shí)間內(nèi)瞬時(shí)肌電放電幅度的平方根，反映放電的有效值；平均肌電值指一定時(shí)間段瞬時(shí)肌電圖放電幅度的平均值，反映表面肌電信號變化幅度特征，包括肌肉活動(dòng)期間放電單元的激活次數(shù)、參與放電單元的類型及其同步化程度，其在不同的肌肉力量負(fù)荷條件下與中央控制功能密不可分[6]。MPF反映信號的頻率特性，其數(shù)值與外周運(yùn)動(dòng)單位動(dòng)作電位的傳導(dǎo)速度、參與活動(dòng)的運(yùn)動(dòng)單位類型以及同步化程度有關(guān)[7]。中位頻率指參與運(yùn)動(dòng)的肌肉在其收縮過程中肌肉纖維放電頻率的中間值[8]。sEMG頻域分析常用的指標(biāo)為MPF和中位頻率，它們通常作為臨床實(shí)際工作中識別肌肉活動(dòng)后疲勞程度的常用指標(biāo)。近年來，肌電信號的非線性分析取得了巨大進(jìn)步，在一定程度上解決了肌電信號不準(zhǔn)確的問題，但目前的研究仍不成熟，且由于相關(guān)分析方法的復(fù)雜性，在臨床的應(yīng)用較少。

2 腦卒中偏癱患者下肢功能障礙的特點(diǎn)及sEMG的表現(xiàn)

2.1痙攣性足下垂 腦卒中偏癱患者踝關(guān)節(jié)的表現(xiàn)主要為內(nèi)翻和下垂，稱為“痙攣性足下垂”，其發(fā)生機(jī)制主要包括中樞機(jī)制和外周機(jī)制[9-10]。中樞機(jī)制指脊髓調(diào)控障礙導(dǎo)致的神經(jīng)肌肉控制缺失，主要表現(xiàn)為本體感覺輸入障礙、運(yùn)動(dòng)單位募集紊亂以及姿勢控制異常等[11]。外周機(jī)制主要包括制動(dòng)和廢用。長期制動(dòng)導(dǎo)致小腿前肌群(脛前肌)和外側(cè)肌群(腓骨長短肌)激活不足、肌肉失用性萎縮，臨床表現(xiàn)為足背伸困難[12]。痙攣性足下垂對卒中患者的平衡、跌倒發(fā)作以及日常生活的積極參與能力均有重要影響，痙攣性足下垂康復(fù)治療的效果嚴(yán)重影響患者的康復(fù)進(jìn)展。有學(xué)者選取臨床中處于不同階段的腦卒中偏癱患者，并用sEMG檢測患者踝背屈狀態(tài)下相應(yīng)肌肉脛骨前肌和腓腸肌的iEMG變化情況以及協(xié)同收縮率，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，恢復(fù)后期偏癱患者的踝背屈主動(dòng)肌的收縮功能以及對拮抗肌協(xié)同收縮的控制能力均顯著優(yōu)于恢復(fù)前期偏癱患者[13]。林凌等[14]利用離子穴位透入法將栝蔞桂枝湯導(dǎo)入腦卒中痙攣性足下垂的患者，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，栝樓桂枝湯組的臨床痙攣指數(shù)量表、BERG平衡量表、改良Barthel指數(shù)的評分以及背屈狀態(tài)下脛骨前肌和腓腸肌iEMG、踝背伸狀態(tài)下的協(xié)同收縮率均顯著高于對照組。應(yīng)用現(xiàn)代設(shè)備將栝樓桂枝湯通過體表經(jīng)穴直接作用于相關(guān)痙攣責(zé)任肌群，對痙攣的改善效果優(yōu)于傳統(tǒng)服藥方法，進(jìn)而改善患者的平衡功能，提高患者重回日常生活的自信與能力。

2.2小腿三頭肌 小腿三頭肌位于小腿后群，由淺層的腓腸肌及深層的比目魚肌構(gòu)成。作為踝關(guān)節(jié)跖屈的主要肌肉，小腿三頭肌對正常人體的關(guān)節(jié)穩(wěn)定性以及行走時(shí)前進(jìn)推動(dòng)力的產(chǎn)生均具有重要作用[15-16]。李卓等[17]研究發(fā)現(xiàn)，健康者坐位腓腸肌iEMG值與腦卒中偏癱患者坐位健側(cè)腓腸肌iEMG值存在顯著差異。此結(jié)果已被相關(guān)研究證實(shí)，例如，張梅瑩等[18]應(yīng)用sEMG檢查測定健康老年人和腦卒中早期患者的小腿三頭肌，結(jié)果顯示，腦卒中患者偏癱側(cè)踝背伸的協(xié)同收縮率較健側(cè)及健康人群顯著升高，提示腦卒中早期就表現(xiàn)出小腿三頭肌痙攣的趨勢。

3 sEMG在腦卒中偏癱患者下肢功能康復(fù)評定中的應(yīng)用

臨床實(shí)際工作中常采用Asworth分級法對肌肉痙攣進(jìn)行康復(fù)評定，但該方法是半定量額評估，存在主觀性強(qiáng)、精確度差的缺點(diǎn)。sEMG檢測手段的iEMG值可對患者痙攣的嚴(yán)重程度進(jìn)行量化[19]。sEMG可提供客觀、量化的指標(biāo)[20]，也是評估患者治療前后改善程度的有效手段。腦卒中患者容易出現(xiàn)屈肌群痙攣，提示腦卒中偏癱后遺癥患者的日常康復(fù)治療目標(biāo)以肘伸肌的肌力加強(qiáng)以及對拮抗肌同時(shí)收縮減弱為康復(fù)重點(diǎn)[21]。朱燕等[22]研究發(fā)現(xiàn)，患者在膝關(guān)節(jié)最大等長收縮狀態(tài)下，膝伸展時(shí)，sEMG檢測到的健側(cè)股直肌iEMG值顯著高于患側(cè)，而作為拮抗肌的股二頭肌的健、患側(cè)iEMG值比較差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義；當(dāng)膝關(guān)節(jié)處于屈曲狀態(tài)時(shí)，其主動(dòng)肌的健側(cè)iEMG值高于患側(cè)，而拮抗肌的患側(cè)iEMG值則高于健側(cè)。這一臨床試驗(yàn)結(jié)果與腦卒中偏癱患者臨床常見的下肢肌肉痙攣主要以伸肌痙攣為主的論斷符合。

4 sEMG在腦卒中偏癱患者下肢功能康復(fù)治療中的應(yīng)用

4.1指導(dǎo)康復(fù)治療 Buurke等[23]研究了卒中和偏癱患者的四腳拐杖行走、扶單腳手杖步行、無輔助步行條件下的患側(cè)臀大肌、股外側(cè)肌、脛骨前肌和腓腸肌肌電活動(dòng)的波形變化，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在拄拐行走時(shí)脛骨前肌的肌電活動(dòng)持續(xù)時(shí)間顯著縮短，提示手杖對腦卒中偏癱訓(xùn)練具有重要作用。樊留博等[24]則利用sEMG分析了腦卒中偏癱患者膝蓋周圍肌肉的肌電活動(dòng)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，加強(qiáng)膝關(guān)節(jié)訓(xùn)練有緩解下肢肌肉緊張的作用，可促進(jìn)下肢步態(tài)功能障礙的恢復(fù)。亦有學(xué)者通過觀察和分析最大等距收縮過程中股直肌和股二頭肌的表面肌電發(fā)現(xiàn)，腦卒中偏癱患者患側(cè)伸肌肌肉張力增加可導(dǎo)致下肢運(yùn)動(dòng)功能障礙，表明在腦卒中患者康復(fù)過程中應(yīng)根據(jù)膝伸肌和屈肌收縮的協(xié)調(diào)進(jìn)行康復(fù)，特別是在膝蓋屈伸運(yùn)動(dòng)中，應(yīng)增強(qiáng)活動(dòng)肌的收縮，以抑制拮抗肌的協(xié)同收縮[25]。孫棟等[26]通過觀察和分析最大等距收縮過程中股直肌和股二頭肌的表面肌電證實(shí)，腦卒中偏癱患者患側(cè)伸肌的肌肉張力增加可導(dǎo)致下肢運(yùn)動(dòng)功能障礙，為卒中伸肌腱患者的肌電信號提供了理論依據(jù)。

4.2分析肌肉疲勞程度 肌肉疲勞是慢性疲勞的表現(xiàn)之一，對偏癱患者的康復(fù)、情緒控制以及依從性均產(chǎn)生巨大影響。治療師通常依據(jù)肌肉力量評估疲勞程度，受許多主觀因素影響。利用sEMG量化的肌電信號(如iEMG、中位頻率和MPF)評價(jià)肌肉疲勞程度更為客觀和科學(xué)。Kollmitzer等[27]研究發(fā)現(xiàn)，腦卒中偏癱患者的患肢疲勞更顯著，特別是在肌肉長時(shí)間處于緊張狀態(tài)或僅使特定肌肉收縮的情況下。利用sEMG評估患者康復(fù)治療過程中的肌肉疲勞水平，能更好地選擇合適的康復(fù)方案。

4.3分析異常步態(tài)模式 腦卒中偏癱患者由于軀干和四肢一側(cè)無力、肌張力異常、感覺異常、軀干平衡差以及因廢用、肌腱縮短、關(guān)節(jié)活動(dòng)度降低等導(dǎo)致肌肉萎縮而出現(xiàn)偏癱。在步態(tài)周期中，相應(yīng)肌肉的相位拮抗振幅、序列及運(yùn)動(dòng)過程中募集的肌肉變化均會導(dǎo)致患者異常的步行姿勢，而且研究已經(jīng)證實(shí)并分析了步行周期中不同肌肉群的姿勢。例如，有研究者通過表面電極發(fā)現(xiàn)，行走時(shí)股四頭肌和股直肌不同，只有在支撐期到擺動(dòng)期的過渡(即髖關(guān)節(jié)后伸)時(shí)才會有活動(dòng)信號[15]。有學(xué)者研究腦卒中患者偏癱后步態(tài)恢復(fù)與偏癱后肌肉活動(dòng)的相關(guān)變化、偏癱患者的最大行走速度以及腓腸肌和股二頭肌的肌電活動(dòng)之間的關(guān)系，并與健康人比較，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，患側(cè)股直肌激活開始時(shí)間顯著遲于健側(cè)，而患側(cè)腓腸肌激活開始時(shí)間顯著早于健側(cè)，患側(cè)股二頭肌及腓腸肌激活持續(xù)時(shí)間均顯著低于健側(cè)；在單腿支撐階段，雙側(cè)股直肌活動(dòng)被延遲，股直肌和二頭肌同時(shí)收縮比健康組更長[28]。隨著康復(fù)的進(jìn)展，身體的柔韌性、行走的獨(dú)立性和最大行走速度均得到顯著提高，表明偏癱患者的行走能力進(jìn)步很大。盡管如此，在康復(fù)期間，患側(cè)的擺動(dòng)能力和同步收縮時(shí)程并未顯著改善，表明肌肉收縮模式并不是阻滯步態(tài)功能恢復(fù)的關(guān)鍵因素?；謴?fù)步行能力的生理適應(yīng)性過程比改善肌肉收縮模式更重要。國內(nèi)相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)，偏癱患者在行走過程中會同時(shí)收縮腓腸肌和脛骨前肌，這會嚴(yán)重阻滯患者的行走能力[29]。然而，異常的肌肉收縮模式是否是阻滯步態(tài)恢復(fù)的決定性因素仍需要進(jìn)一步的調(diào)查研究。

4.4評價(jià)康復(fù)效果 目前大多數(shù)針對偏癱患者的功能評定均由治療師評估，這種評估更多地依賴于治療師的臨床工作經(jīng)驗(yàn)，評估結(jié)果存在主觀性和不可控制的誤差，導(dǎo)致難以準(zhǔn)確定量確定患者的實(shí)際恢復(fù)情況。sEMG信號可以定量和定性分析各種運(yùn)動(dòng)狀態(tài)(靜態(tài)、動(dòng)態(tài))下的神經(jīng)肌肉活動(dòng)，同時(shí)具有與肌肉活動(dòng)高度密切相關(guān)的優(yōu)勢以及可以準(zhǔn)確量化等優(yōu)點(diǎn)。有學(xué)者研究了卒中后偏癱患者步態(tài)異常的恢復(fù)與肌肉活動(dòng)變化之間的具體相關(guān)性，對研究對象的肌電活動(dòng)進(jìn)行比較(包含健康對照組和健側(cè))發(fā)現(xiàn)，隨著康復(fù)治療療程的進(jìn)展，患者的靈活性、完成獨(dú)立行走的能力以及行走的最大速度均顯著改善[30]。張卉等[31]運(yùn)用sEMG記錄患者下肢肌肉的肌電參數(shù)，同時(shí)驗(yàn)證了新型康復(fù)治療設(shè)備對下肢麻痹有理想的治療效果，sEMG可以反映治療前后患者運(yùn)動(dòng)功能的改善。周建文等[32]比較了兩組卒中患者接受不同康復(fù)方法治療前后的sEMG，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，改善偏癱步態(tài)和軀干控制可有效減輕由于步態(tài)補(bǔ)償導(dǎo)致的背部肌肉緊張?jiān)黾印８鹑饢|等[33]用指壓的方法刺激偏癱患者位于足三陽經(jīng)分布區(qū)域的足臨泣和足三里穴，并通過sEMG測量刺激前后兩者脛骨和腓骨長、短肌的最大等距收縮的iEMG值，結(jié)果顯示，通過指壓足三里穴可顯著誘發(fā)脛前肌收縮的即刻效應(yīng)和延續(xù)效應(yīng)；而指壓足臨泣穴可顯著誘發(fā)腓骨長、短肌收縮的即刻效應(yīng)和延續(xù)效應(yīng)。

5 小 結(jié)

sEMG是一種在臨床工作中非常實(shí)用的檢測技術(shù)。sEMG對卒中患者肢體運(yùn)動(dòng)功能狀況的評估比較客觀、定量，且易于被患者接受，因此可以幫助臨床康復(fù)治療師為患者制訂準(zhǔn)確的康復(fù)目標(biāo)；另外，sEMG還可以非常直觀地表現(xiàn)出相關(guān)肌肉治療前后功能的變化情況，從而達(dá)到直觀評價(jià)康復(fù)治療臨床療效的目的[34]。隨著電生理技術(shù)和人工智能技術(shù)的不斷發(fā)展，表面肌電技術(shù)使采集方法更加便捷，采集的信號更加穩(wěn)定，數(shù)據(jù)的處理更快捷、全面。相信在未來的康復(fù)醫(yī)學(xué)的臨床工作中，SEMG將發(fā)揮更重要的作用。